实验五 光纤传感器位移测量.doc

实验五光纤传感器位移测量一、目的 1 .熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。 2 .掌握光纤位移传感器测量位移的方法。二、实验设备光纤( 光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理 1 .光纤导光的基本原理。光是一种电磁波, 一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论: 当所研究对象的几何尺寸( 指光纤的芯径) 远大于所用光波的波长, 而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。根据折射定律:光由光密媒质 n 0 射向光疏媒质 n 1 时,折射角大于入射角,当入射角增至某一临界角? c时, 出射光线沿两媒质的分界面传播, 当入射角继续增大,? 0>? c时, 入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中,这就是全反射。光纤是由折射率较高(光密介质)的纤芯和折射率较低(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线(过光纤的轴心线,传播路径始终在一个平面内。)和斜光线(不经过光纤轴心,不在一个平面内,它是一空间曲线)这两种光线称为受导光线。在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。当光线与光纤光轴成θ角入射时, 在纤芯内部将以?0 入射到纤芯的侧壁。由于?0>?c和n0>n1 ,则光在侧壁上产生连续向前的全反射,光在纤芯内成“之”字形传导,直至由终端射出。如果入射角θ过大致使? 0 角不能满足全反射的临界要求,即? 0<? c ,光线会穿过纤芯的侧壁而逸出,产生漏光。因此,最大入射角θ不能超过下式所要求的值式中, n 为光纤所在环境的折射率(若为空气,则 n =1 ), n sin ?定义为数值孔径,记作 NA , 它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示,无论光源发射功率多大,只有 2θ张角内的光才能被光纤接收、传播(全反射), NA 愈大,光纤的集光能力愈强。 2 .光纤中光波的调制和相关的反射机制。通过光纤传感器的敏感头(或传感臂)与外界待测对象相互作用,将待测量的信号传递到光纤内的导光波中,或信息加载于光波之上,这个过程称为光纤中光波的调制, 简称光调制。外界待测量可能引起光的强度、波长( 颜色)、频率、相位和偏振态等性质发生变化, 从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。利用外界因素改变光纤中光的强度, 通过测量光强的变化来测量外界物理量的原理称为光强度调制。( 光电探测器只能探测光的强度。) 光强度调制分为外调制和内调制两种形式。外调制的调制过程发生在光纤以外的环节, 光纤本身特性不变, 光纤只起传光作用, 属于传光型;内调制过程发生在光纤内部,是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制,属于功能型。实现光强度调制的反射机制:两根光纤并排放置,一根是发送光纤,一根是接收光纤,在光纤端而前放置反射体,当反射体距光纤端面距离发生变化时, 接收光纤收到的光功率发生变化, 构成了反射型光强调制装置。由此可探测反射体的位移变化, 从而检测出引起反射体位置变化的因素量。 3 .反射式强度外调制光纤传感器位移测量原理。反射式光纤位移传感器如图 5-2 所示。光纤采用 Y 型结构,两束光纤一端合并成光纤束探头(半圆型、同心圆型或随机分布型);另一端分为两束, 分别作为光源光纤和接收光纤, 只